CN115101918B - 用于平板卫星天线的二维折展机构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了航天飞行器技术领域一种用于平板卫星天线的二维折展机构及其工作方法，包括星体、第一维旋转展开结构、第二维纵向展开结构，第一维旋转展开结构包含旋转平台、连杆组以及驱动部件，旋转平台通过带有驱动部件的连杆组连接到星体上；第二维纵向展开结构安装在旋转平台上，第二维纵向展开结构通过旋转铰链与旋转平台连接，第二维纵向展开结构包括天线面板、可折展支撑桁架、驱动电机，多块天线面板通过可折展支撑桁架相互连接，天线面板通过驱动电机驱动实现纵向展开。本发明充分利用火箭整流罩的轴向空间，实现了大尺寸平板卫星天线在两个维度上的高效率二维折展，避免了基于一维折展机构的平板天线在一个维度上的尺寸十分受限的不足。

Description

用于平板卫星天线的二维折展机构及其工作方法

技术领域

本发明涉及航天飞行器技术领域，具体地，涉及一种用于平板卫星天线的二维折展机构及其工作方法。

背景技术

随着卫星通信、空间科学、深空探测以及对地观测等技术的快速发展，世界各航天强国对大尺度平板卫星天线的应用需求变得愈加迫切；然而，受限于火箭整流罩内的尺寸约束，平板卫星天线在发射阶段必须能收拢到较小的尺寸以实现收纳；当航天器顺利进入太空后，再通过一系列控制措施将使其展开成大型平面形态并实现锁定刚化。如何实现大折展比并在展开态实现高刚度是平板卫星天线折展机构设计中面临的重要挑战。

经现有技术检索发现，中国发明专利公告号为CN110504522B，公开了一种平板折展单元，包括折展机构和支撑机构侧面，支撑机构侧面位于折展机构的上方，支撑机构侧面通过竖直支撑杆与折展机构连接；平板折展单元中各部件之间通过转动副直接连接。该专利技术就存在上述相关问题。

由于缺乏有效的二维折展机制，目前成功应用的平板卫星天线均采用了一维折展机制，例如欧空局1991年发射的ERS-I卫星搭载的由五块2m×1m的天线面板组成平板卫星天线、加拿大1995年发射的Radarsat-I型卫星搭载的展开态尺寸为15m×1.5m的SAR平板天线、2007年发射的Radarsat-II卫星搭载的展开态尺寸为15m×1.4m的平板天线、美国航天局1978年发射的SEASAT卫星搭载的展开态尺寸为10.74m×2.16m的SAR平板天线、美国研发的展开态尺寸为2m×50m的LLSBR相控阵平板卫星天线、日本航天局2006年发射的ALOS卫星搭载的展开态尺寸为8.9m×3.1m的平板天线。

上述平板卫星天线展开后的宽度普遍较小，对其性能有较大影响。为解决上述问题，近年来各航天强国均开始着手研制平板卫星天线的二维折展机构，但现有方案均处于概念设计阶段，尚无成熟的技术方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于平板卫星天线的二维折展机构及其工作方法。

根据本发明提供的一种用于平板卫星天线的二维折展机构，包括星体、第一维旋转展开结构以及第二维纵向展开结构，所述第一维旋转展开结构包含旋转平台、连杆组以及驱动部件，所述连杆组分别与所述驱动部件和所述旋转平台连接，且所述旋转平台通过带有所述驱动部件的所述连杆组连接到所述星体上，所述旋转平台通过所述驱动部件而旋转展开设置；

所述第二维纵向展开结构安装在所述旋转平台上，且所述第二维纵向展开结构通过旋转铰链与所述旋转平台连接，所述第二维纵向展开结构包括天线面板、可折展支撑桁架以及驱动电机，所述天线面板设有多块，多块所述天线面板通过所述可折展支撑桁架相互连接，所述驱动电机连接设置在所述可折展支撑桁架上，所述天线面板通过所述驱动电机驱动而纵向展开设置。

一些实施方式中，所述连杆组包括长连杆组，所述旋转平台包括第一旋转平台和第二旋转平台，所述第一旋转平台和所述第二旋转平台相互对称设置，所述长连杆组包括第一长连杆和第二长连杆，所述第一长连杆与所述第二长连杆采用相同结构设置，所述第一长连杆的两端分别通过所述旋转铰链与所述星体、所述第一旋转平台连接，所述第二长连杆的两端分别通过所述旋转铰链与所述星体、所述第二旋转平台连接。

一些实施方式中，所述连杆组还包括连杆链，所述连杆链包括第一短连杆、第二短连杆、第三短连杆以及第四短连杆，所述第一短连杆、所述第三短连杆、所述第四短连杆以及所述第二短连杆依次通过所述旋转铰链连接，所述第一短连杆的另一端连接设置在所述第一旋转平台上，所述第二短连杆的另一端连接设置在所述第二旋转平台上，所述第三短连杆与所述第四短连杆的连接端为连接点，所述连接点通过两个同轴旋转铰链分别与所述第一旋转平台、所述第二旋转平台的一角连接。

一些实施方式中，所述第一短连杆与所述第三短连杆之间的所述旋转铰链安装有带预应力的卷簧，所述第二短连杆与所述第四短连杆之间的所述旋转铰链安装有带预应力的卷簧，且所述旋转铰链上设有用于在所述连杆组运动到位后将所述第一维旋转展开结构锁死的锁紧件。

一些实施方式中，所述天线面板呈Z字型堆叠，相邻所述天线面板由位于长边上的板间铰链连接，所述板间铰链中带有为所述第二维纵向展开结构展开提供辅助动力的预紧弹簧，所述第二维纵向展开结构设有两个，两个所述第二维纵向展开结构分别对称安装在对应的所述第一旋转平台和所述第二旋转平台上，每一对相对应的所述天线面板均由一个安装在面板顶点处且轴线垂直于面板平面的顶点处铰链连接，所有所述顶点处铰链的转动轴线均共轴，所述可折展支撑桁架通过所述驱动电机和所述板间铰链中的预紧弹簧的共同驱动下展开。

一些实施方式中，所述第一维旋转展开结构和所述第二维纵向展开结构上分别设有榫卯对接锁紧组件，所述榫卯对接锁紧组件包括公头连接件和母头连接件，所述公头连接件与所述母头连接件分别安装在需要对接的两侧的所述旋转平台及每一对相对应的所述天线面板边缘，所述公头连接件上设有锥形插头，所述母头连接件上设有锥形导孔，所述锥形插头对应设置在所述锥形导孔内。两侧的旋转平台及每一对相对应的天线面板间可通过榫卯等锁止机构相互对接锁紧，以提升刚度。

本发明还提供一种用于平板卫星天线的二维折展机构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在所述第一维旋转展开结构展开过程中，所述连杆组带动两个旋转平台和与所述旋转平台固连的所述第二维纵向展开结构运动，两个所述第二维纵向展开结构进行拼接和锁紧；

步骤2.在所述第二维纵向展开结构展开过程中，所述可折展支撑桁架在驱动电机和板间铰链中的预紧弹簧的共同驱动下展开，带动所述天线面板呈Z字形纵向展开，最终完成平板卫星天线的所述第二维纵向展开结构的展开和锁紧。

一些实施方式中，在步骤1中，所述第一维旋转展开结构中的两个旋转平台和与所述旋转平台固连的所述第二维纵向展开模块在连杆组的带动下沿特定的运动轨迹移动，使第三短连杆与第四短连杆的连接点沿着所述星体侧面中轴线平移至所述星体正面，同时两个所述旋转平台左右对称旋转90°。

一些实施方式中，两个所述第一维旋转展开结构的上侧短边重合拼接，所述第一维旋转展开结构的内侧长边旋转至水平并与所述星体正面齐平，两个所述第一维旋转展开结构的可利用短边上的榫卯对接锁紧组件相互对接锁紧，形成完整的纵向展开模块，实现平板卫星天线所述第一维旋转展开结构的第一维展开；

在初始收拢态下以及所述第一维旋转展开结构展开结束后，第一短连杆和第三短连杆处于共线位置，第四短连杆和第二短连杆也处于共线位置，并且共线连杆由连杆间的带锁紧装置的所述旋转铰链锁紧。

一些实施方式中，在步骤2中，在完成所述第一维旋转展开结构的展开后，所述可折展支撑桁架在驱动电机和板间铰链中的预紧弹簧的共同驱动下展开，带动天线面板呈Z字形纵向展开，所述可折展支撑桁架展开到位锁死形成稳定的桁架结构，所述可折展支撑桁架的基本单元呈四棱锥构型，实现平板卫星天线二维折展机构的第二维展开。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设置第一维旋转展开结构和第二维纵向展开结构，突破了大部分平板天线受限于一维折展机制而在一个维度上尺寸十分受限的不足，可充分利用火箭整流罩轴向上的空间，实现了大尺寸平板卫星天线在两个方向上的高效率二维折展，具有原理简单、可靠性高、收拢率大，展开态刚度大，可扩展性强；

2、本发明在完全展开态下，所有天线面板处在同一平面内，面板工作面与卫星正面齐平，且任意两个相邻面板间均有铰链连接，不仅可提高机构的整体刚度，还便于面板间的电气线路布置。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明用于平板卫星天线的二维折展机构的结构示意图一；

图2为本发明第一维旋转展开结构与星体的结构示意图；

图3为本发明第一维旋转展开结构的工作示意图；

图4为本发明用于平板卫星天线的二维折展机构的结构示意图二；

图5为本发明用于平板卫星天线的二维折展机构的工作示意图；

图6为本发明用于平板卫星天线的二维折展机构的展开示意图；

图7为本发明榫卯对接锁紧组件的结构示意图；

附图标记：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示为用于平板卫星天线的二维折展机构的结构示意图一，如图2所示为第一维旋转展开结构2的与星体1的结构示意图，如图3所示为第一维旋转展开结构2的工作示意图，包括星体1、第一维旋转展开结构2以及第二维纵向展开结构3，第一维旋转展开结构2包含旋转平台、连杆组以及驱动部件，连杆组分别与驱动部件和旋转平台连接，且旋转平台通过带有驱动部件的连杆组连接到星体1上，旋转平台通过驱动部件而旋转展开设置。

第二维纵向展开结构3安装在旋转平台上，且第二维纵向展开结构3通过旋转铰链与旋转平台连接，第二维纵向展开结构3包括天线面板34、可折展支撑桁架33以及驱动电机，天线面板34设有多块，多块天线面板34通过可折展支撑桁架33相互连接设置，驱动电机连接设置在可折展支撑桁架33上，天线面板34通过驱动电机驱动而纵向展开设置。

连杆组包括长连杆组，旋转平台包括第一旋转平台27和第二旋转平台28，第一旋转平台27和第二旋转平台28相互对称设置，长连杆组包括第一长连杆21和第二长连杆22，第一长连杆21与第二长连杆22采用相同结构设置，第一长连杆21的两端分别通过旋转铰链与星体1、第一旋转平台27连接，第二长连杆22的两端分别通过旋转铰链与星体1、第二旋转平台28连接。

连杆组还包括连杆链，连杆链包括第一短连杆23、第二短连杆24、第三短连杆25以及第四短连杆26，第一短连杆23、第三短连杆25、第四短连杆26以及第二短连杆24依次通过旋转铰链连接，第一短连杆23的另一端连接设置在第一旋转平台27上，第二短连杆24的另一端连接设置在第二旋转平台28上，第三短连杆25与第四短连杆26的连接端为连接点29，连接点29通过两个同轴旋转铰链分别与第一旋转平台27、第二旋转平台28的一角连接。

第一短连杆23与第三短连杆25之间的旋转铰链安装有带预应力的卷簧，第二短连杆24与第四短连杆26之间的旋转铰链安装有带预应力的卷簧，可为平板卫星天线的第一维旋转展开结构2展开提供辅助动力，同时可解决第三短连杆25和第四短连杆26共线时电机无法有效驱动的问题。且旋转铰链上设有用于在连杆组运动到位后将第一维旋转展开结构2锁死的锁紧件。

天线面板34呈Z字型堆叠，相邻天线面板34由位于长边上的板间铰链32连接，板间铰链32中带有为第二维纵向展开结构3展开提供辅助动力的预紧弹簧，第二维纵向展开结构3设有两个，两个第二维纵向展开结构3分别对称安装在对应的第一旋转平台27和第二旋转平台28上，每一对相对应的天线面板34均由一个安装在面板顶点处且轴线垂直于面板平面的顶点处铰链31连接，所有顶点处铰链31的转动轴线均共轴，可折展支撑桁架33通过驱动电机和板间铰链32中的预紧弹簧的共同驱动下展开。

如图7所示为榫卯对接锁紧4组件的结构示意图，第一维旋转展开结构2和第二维纵向展开结构3上分别设有榫卯对接锁紧4组件，榫卯对接锁紧4组件包括公头连接件41和母头连接件42，公头连接件41与母头连接件42分别安装在需要对接的两侧的旋转平台及每一对相对应的天线面板34边缘，公头连接件41上设有锥形插头，母头连接件42上设有锥形导孔，锥形插头对应设置在锥形导孔内，两个连接件上带有弹簧的锁扣在导轨的牵引下滑入锁槽内，实现两个接头的锁紧。两侧的旋转平台及每一对相对应的天线面板34间可通过榫卯等锁止机构相互对接锁紧，以提升刚度。

如图4所示为用于平板卫星天线的二维折展机构的结构示意图二，如图5所示为用于平板卫星天线的二维折展机构的工作示意图，如图6所示为用于平板卫星天线的二维折展机构的展开示意图，一种用于平板卫星天线的二维折展机构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在第一维旋转展开结构2展开过程中，连杆组带动两个旋转平台和与旋转平台固连的第二维纵向展开结构3运动，两个第二维纵向展开结构3进行拼接和锁紧；

步骤2.在第二维纵向展开结构3展开过程中，可折展支撑桁架33在驱动电机和板间铰链32中的预紧弹簧的共同驱动下展开，带动天线面板34呈Z字形纵向展开，最终完成平板卫星天线的第二维纵向展开结构3的展开和锁紧。

在步骤1中，第一维旋转展开结构2中的两个旋转平台和与旋转平台固连的第二维纵向展开模块在连杆组的带动下沿特定的运动轨迹移动，使第三短连杆25与第四短连杆26的连接点29沿着星体1侧面中轴线平移至星体1正面，同时两个旋转平台左右对称旋转90°。

两个第一维旋转展开结构2的上侧短边重合拼接，第一维旋转展开结构2的内侧长边旋转至水平并与星体1正面齐平，两个第一维旋转展开结构2的可利用短边上的榫卯对接锁紧4组件相互对接锁紧，形成完整的纵向展开模块，实现平板卫星天线第一维旋转展开结构2的第一维展开。

在初始收拢态下以及第一维旋转展开结构2展开结束后，第一短连杆23和第三短连杆25处于共线位置，第四短连杆26和第二短连杆24也处于共线位置，并且共线连杆由连杆间的带锁紧装置的旋转铰链锁紧，可以提高展开态下机构的整体刚度。

在步骤2中，在完成第一维旋转展开结构2的展开后，可折展支撑桁架33在驱动电机和板间铰链32中的预紧弹簧的共同驱动下展开，带动天线面板34呈Z字形纵向展开，可折展支撑桁架33展开到位锁死形成稳定的桁架结构，可折展支撑桁架33的基本单元呈四棱锥构型，实现平板卫星天线二维折展机构的第二维展开。

平板卫星天线二维折展机构在完全展开态下，所有天线面板34处在同一平面内，面板工作面与卫星正面齐平，且任意两个相邻面板间均有铰链连接，不仅可提高机构的整体刚度，还便于面板间的电气线路布置。在完全展开后，可在左右两个可折展支撑桁架33间布置拉索，以进一步提高平板卫星天线在最终展开态下的刚度。

第一维展开机制以及第二维展开机制不仅可分别用于天线的长度和宽度方向的折展，也可分别用于宽度和长度方向的折展。二维折展机构不仅可用于平板卫星天线，还可以用于卫星太阳能帆板等需要高折展比的应用场景。进一步的，还可在左右两个可折展支撑桁架33间布置拉索，以提高平板卫星天线在最终展开态下的刚度。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种用于平板卫星天线的二维折展机构，其特征在于，包括星体（1）、第一维旋转展开结构（2）以及第二维纵向展开结构（3），所述第一维旋转展开结构（2）包含旋转平台、连杆组以及驱动部件，所述连杆组分别与所述驱动部件和所述旋转平台连接，且所述旋转平台通过带有所述驱动部件的所述连杆组连接到所述星体（1）上，所述旋转平台通过所述驱动部件而旋转展开设置；

所述第二维纵向展开结构（3）安装在所述旋转平台上，且所述第二维纵向展开结构（3）通过旋转铰链与所述旋转平台连接，所述第二维纵向展开结构（3）包括天线面板（34）、可折展支撑桁架（33）以及驱动电机，所述天线面板（34）设有多块，多块所述天线面板（34）通过所述可折展支撑桁架（33）相互连接，所述驱动电机连接设置在所述可折展支撑桁架（33）上，所述天线面板（34）通过所述驱动电机驱动而纵向展开设置；

连杆组包括长连杆组，旋转平台包括第一旋转平台（27）和第二旋转平台（28），第一旋转平台（27）和第二旋转平台（28）相互对称设置，长连杆组包括第一长连杆（21）和第二长连杆（22），第一长连杆（21）与第二长连杆（22）采用相同结构设置，第一长连杆（21）的两端分别通过旋转铰链与星体（1）、第一旋转平台（27）连接，第二长连杆（22）的两端分别通过旋转铰链与星体（1）、第二旋转平台（28）连接；

连杆组还包括连杆链，连杆链包括第一短连杆（23）、第二短连杆（24）、第三短连杆（25）以及第四短连杆（26），第一短连杆（23）、第三短连杆（25）、第四短连杆（26）以及第二短连杆（24）依次通过旋转铰链连接，第一短连杆（23）的另一端连接设置在第一旋转平台（27）上，第二短连杆（24）的另一端连接设置在第二旋转平台（28）上，第三短连杆（25）与第四短连杆（26）的连接端为连接点（29），连接点（29）通过两个同轴旋转铰链分别与第一旋转平台（27）、第二旋转平台（28）的一角连接。

2.根据权利要求1所述的用于平板卫星天线的二维折展机构，其特征在于，所述第一短连杆（23）与所述第三短连杆（25）之间的所述旋转铰链安装有带预应力的卷簧，所述第二短连杆（24）与所述第四短连杆（26）之间的所述旋转铰链安装有带预应力的卷簧，且所述旋转铰链上设有用于在所述连杆组运动到位后将所述第一维旋转展开结构（2）锁死的锁紧件。

3.根据权利要求1所述的用于平板卫星天线的二维折展机构，其特征在于，所述天线面板（34）呈Z字型堆叠，相邻所述天线面板（34）由位于长边上的板间铰链（32）连接，所述板间铰链（32）中带有为所述第二维纵向展开结构（3）展开提供辅助动力的预紧弹簧，所述第二维纵向展开结构（3）设有两个，两个所述第二维纵向展开结构（3）分别对称安装在对应的所述第一旋转平台（27）和所述第二旋转平台（28）上，每一对相对应的所述天线面板（34）均由一个安装在面板顶点处且轴线垂直于面板平面的顶点处铰链（31）连接，所有所述顶点处铰链（31）的转动轴线均共轴，所述可折展支撑桁架（33）通过所述驱动电机和所述板间铰链（32）中的预紧弹簧的共同驱动下展开。

4.根据权利要求3所述的用于平板卫星天线的二维折展机构，其特征在于，所述第一维旋转展开结构（2）和所述第二维纵向展开结构（3）上分别设有榫卯对接锁紧（4）组件，所述榫卯对接锁紧（4）组件包括公头连接件（41）和母头连接件（42），所述公头连接件（41）与所述母头连接件（42）分别安装在需要对接的两侧的所述旋转平台及每一对相对应的所述天线面板边缘，所述公头连接件（41）上设有锥形插头，所述母头连接件（42）上设有锥形导孔，所述锥形插头对应设置在所述锥形导孔内。

5.一种根据权利要求1-4任意一项所述的用于平板卫星天线的二维折展机构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在所述第一维旋转展开结构（2）展开过程中，所述连杆组带动两个旋转平台和与所述旋转平台固连的所述第二维纵向展开结构（3）运动，两个所述第二维纵向展开结构（3）进行拼接和锁紧；

步骤2.在所述第二维纵向展开结构（3）展开过程中，所述可折展支撑桁架（33）在驱动电机和板间铰链（32）中的预紧弹簧的共同驱动下展开，带动所述天线面板（34）呈Z字形纵向展开，最终完成平板卫星天线的所述第二维纵向展开结构（3）的展开和锁紧。

6.根据权利要求5所述的用于平板卫星天线的二维折展机构的工作方法，其特征在于，在步骤1中，所述第一维旋转展开结构（2）中的两个旋转平台和与所述旋转平台固连的所述第二维纵向展开结构在连杆组的带动下沿特定的运动轨迹移动，使第三短连杆（25）与第四短连杆（26）的连接点（29）沿着所述星体（1）侧面中轴线平移至所述星体（1）正面，同时两个所述旋转平台左右对称旋转90°。

7.根据权利要求6所述的用于平板卫星天线的二维折展机构的工作方法，其特征在于，两个所述第一维旋转展开结构（2）的上侧短边重合拼接，所述第一维旋转展开结构（2）的内侧长边旋转至水平并与所述星体（1）正面齐平，两个所述第一维旋转展开结构（2）的可利用短边上的榫卯对接锁紧（4）组件相互对接锁紧，形成完整的纵向展开模块，实现平板卫星天线所述第一维旋转展开结构（2）的第一维展开；

在初始收拢态下以及所述第一维旋转展开结构（2）展开结束后，第一短连杆（23）和第三短连杆（25）处于共线位置，第四短连杆（26）和第二短连杆（24）也处于共线位置，并且共线连杆由连杆间的带锁紧装置的所述旋转铰链锁紧。

8.根据权利要求7所述的用于平板卫星天线的二维折展机构的工作方法，其特征在于，在步骤2中，在完成所述第一维旋转展开结构（2）的展开后，所述可折展支撑桁架（33）在驱动电机和板间铰链（32）中的预紧弹簧的共同驱动下展开，带动天线面板（34）呈Z字形纵向展开，所述可折展支撑桁架（33）展开到位锁死形成稳定的桁架结构，所述可折展支撑桁架（33）的基本单元呈四棱锥构型，实现平板卫星天线二维折展机构的第二维展开。

Images